浅析液压拉伸器与液压力矩扳手在风力发电机组安装过程中的应用

2016-08-11刘招着

大科技 2016年13期

关键词：扳手螺母发电机组

刘招着

（中闽（霞浦）风电有限公司福建霞浦 355100）

浅析液压拉伸器与液压力矩扳手在风力发电机组安装过程中的应用

刘招着

（中闽（霞浦）风电有限公司福建霞浦 355100）

本文主要分析液压拉伸器与液压力矩扳手在风力发电机组螺栓联接中的预紧力控制及应用的不同，进而提出合理正确的选用工具有助于我们保证施工进度，提高施工效率，确保施工质量以及风机的安全稳定、长周期运行。

风力发电机组；螺栓紧固；液压拉伸器；液压力矩扳手

风力发电机组安装过程各重要部位多采用螺栓联接，在螺栓紧固过程中，一般都有预紧力要求。大型的螺栓联接至关重要，必要的预紧力控制是保证联接可靠性、紧密性的重要条件。本文主要分析液压拉伸器与液压力矩扳手在风机安装过程中应用的不同之处。

1 两种风电机组装配螺栓拧紧方法预紧力控制浅析

1.1 扭矩拧紧法

目前，在风电行业中最为广泛使用的螺栓联接预紧工艺为扭矩拧紧法；通过扭矩扳手设定的扭矩值，将扭矩间接转换为拉伸力以实现对螺栓的预紧，其优点是简单、直观。液压扳手有驱动式液压扭矩扳手和中空式液压扳手两大系列。驱动式液压扭矩扳手配合标准套筒使用，为通用型液压扳手，适用范围广，可几乎应用于风机安装中各大规格螺栓连接部位的紧固。中空液压扳手厚度较薄，特别适用于空间比较狭小的地方，如风力发电机组的轮毂与叶片连接处。

液压扭力扳手工作原理：液压扭力扳手是由工作头、液压泵以及高压油管组成。通过高压油管，液压泵将动力传输到工作头，驱动工作头旋转螺母的拧紧或松开。

由于液压扭力扳手产生的拧紧力矩T作用，使螺栓和被联接件之间产生预紧力F0。由《机械原理》可知，拧紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1和螺母环形端面与被联接件（或垫圈）支撑面间的摩擦阻力矩T2之和[1]，公式如下：

式中：d——螺纹公称直径，mm；

F0——预紧力，N；

K——拧紧力矩系数。拧紧系数K与螺纹表面及法兰的粗糙度、润滑状况、拧紧速度、使用工具和环境温度等因素都有关，通常在0.1～0.3之间变化。在一定的拧紧力矩下，预紧力变化比较大，故通过拧紧力矩来控制螺栓预紧力的精度不高，其误差约为±25%，最大可达±40%。一般来说，控制拧紧力矩精度较高的工具是测力矩扳手和限力矩扳手。

1.2 液压拉伸预紧法

螺栓液压拉伸器工作原理：螺栓液压拉伸器简称螺栓拉伸器，由液力升压泵（超高压油泵）产生的油压，通过油管传送到拉伸器的活塞面上，通过液压拉伸器上的拉伸头与被拉伸螺栓相互作用而使螺栓拉伸，达到设定压力后，通过拨棒或扳手旋紧螺母，使螺母与被紧固件表面正确贴合，泄压后达到紧固螺母的目的。液压拉伸器构成如图1所示。

由于受到螺栓直径、长度、螺纹形式、螺距、对接面的条件、轴向同轴度等多种因素影响，最终螺栓上获得的轴力并不等于开始时液压缸作用在螺栓上的力，有一定的损失。在工程上，液压拉伸器的设定拉力Fh一般要大于预紧力F0，两者之间的比值主要和螺栓夹紧部分的长细比有关，对于普通公制粗牙螺栓，推荐公式为：

式中：G-为螺栓夹紧部分的长细比，即螺栓夹紧部分长度/螺栓公称直径，如图2所示；Lk-为螺栓夹紧部分长度，mm；d-螺栓公称直径，mm；Fh-液压拉伸器的设定拉力，N；F0-：螺栓预紧力，N。

图1 液压拉伸器的组成结构图

按照公式（2）计算，以长细比（G）为横坐标，设定拉力值与预紧力比值（Fh/F0）为纵坐标，得到两者关系曲线如图2。

图2 Fh/F0与夹紧部分长细比（R）的关系

因此对于不同螺栓夹紧部分长度和直径的风机螺栓联接部位，可根据要求的螺栓预紧力F0，通过公式（2）计算出液压拉伸器的设定拉力Fh。

由以上对扭矩拧紧法和液压拉伸预紧法分析可知，采用扭矩法预紧螺栓中影响拧紧系数K的因素太多，而且很多因素具有不可控性，在同一施工扭矩下，螺栓预紧力只能控制在一定的范围内，而不能获得设计所要求的轴向拉伸力，而导致螺栓欠拧或超拧，随之螺栓将发生松动或破坏螺栓，保证不了连接强度和质量。相比扭矩法，使用液压拉伸器时设定的拉力与拉伸得到的预紧力向对应，直接将螺栓拉伸到规定的预紧力；此方法对预紧力的控制较为准确，但是受到安装位置和空间的限制，风力发电机组只能在部分连接处使用液压拉伸法进行预紧。

2 液压拉伸器与液压力矩扳手在风机螺栓联接中特点分析

（1）沿海地区盐雾腐蚀严重，风机联接螺栓一般涂有防腐涂层保护，常为达克罗或镀锌层；使用扭矩扳手紧固时，螺母外表面涂层容易被破坏，从而影响螺母的防腐效果。但是使用液压拉伸法紧固，由于螺母套传递给螺母的扭矩非常小，因此不会破坏螺母的防腐涂层。

（2）螺栓拉伸器使用纯拉力直接拉长螺栓，无扭剪力和侧向力，对联接的接触面无摩擦损伤，是精确控制螺栓预紧力的最佳方法。比起液压扭矩扳手，优点是反应迅速、精确，无扭转应力、无摩擦损伤、可同步预紧多个螺栓（采用油管分配器）。

（3）液压扭力扳手通用性好，而螺栓拉伸器的拉伸管要和螺栓螺距等匹配，一对一匹配螺纹，通用性不好；对于通过液压拉伸器安装的螺栓，在后期的维护、更换中，也必须使用拉伸器进行紧固。

（4）使用液压拉伸器比液压力矩扳手工期长

某2.5MW直驱型风力发电机组安装工程，其风机各高强连接螺栓部位均是按阶段、次序、多个循环地紧固；除轮毂与叶片间的连接螺栓采用中空液压扳手紧固外，其余各连接部位均要求采用拉伸器紧固。

经笔者于施工现场统计测算，同样的一批工作人员，使用液压扭矩扳手紧固M36轮毂与叶片间的连接螺栓时，平均36s紧固1个螺栓；使用气动液压拉伸器（此工具由地锚笼厂家配套提供）紧固基础与1段塔筒之间连接螺栓时，平均180s紧固2个螺栓（使用分配器同步预紧2个螺栓）；使用电动液压拉伸器（此工具由风机厂家配套提供）紧固其余高强连接螺栓时，平均110s紧固2个螺栓（使用分配器同步预紧2个螺栓）。因此相比使用液压拉伸器紧固此直驱型风机吊装连接部位的螺栓，若使用1套液压扳手工作，不考虑其他因素的影响下，紧固时间将直接减少：26.83-15.12=11.71d，约1.5个工作日；若同时使用多套液压扳手进行各安装平台紧固螺栓，将大大减少吊装时间。

因风机安装工艺要求为最后一段塔架和机舱需在同一天吊装完成，若在紧固螺栓工序中多出的工作时间内又受到如大风、降雨等天气影响，将明显影响施工进度、增加工期。因此施工队伍在投标时应注意所吊装的风机是否要求使用液压拉伸器紧固风机联接螺栓，此项关键工序将影响着施工进度和成本。